カーボンナノチューブ単一光子源の研究

本研究では架橋カーボンナノチューブにおける励起子拡散を利用した単一光子生成を実証するため、単一の架橋カーボンナノチューブからの発光について光子相関測定を実施した。本測定を実施する上で数十時間もの積算時間が必要となることから、光学測定システム内に高精度なサンプルトラッキングの機構を導入し、時間経過によるサンプルのドリフトにサブミクロンの精度で追従できる仕組みを確立した。その結果、室温中でのカーボンナノチューブにおける単一光子生成を示すアンチバンチングが確認されており、本研究の主目的である室温・通信波長帯における単一光子生成が達成された。アンチバンチングの大きさについては励起パルスレーザーの強度と強い相関があることが確認され、この振る舞いは一次元の励起子拡散モデルによって説明できることが明らかとなった。また、異なるカイラリティや架橋長さを持つカーボンナノチューブに対して同様の測定を行うことにより、アンチバンチングが励起子拡散長やエンドクエンチングの影響の大きさに依存して変化することが確認された。この結果は、さらに品質の高い単一光子生成を実現するためには拡散長が長く、かつエンドクエンチングが起こりにくい状況を作り出す必要があることを示している。また、本年度は米国ロスアラモス国立研究所において共同研究を実施し、ドーピングを施したカーボンナノチューブを用いた単一光子生成の手法について、シリコン微小共振器との結合による性能向上の可能性を探った。その結果、カーボンナノチューブにおけるドープ準位からの発光が共振器と結合し、発光強度が大きく増強され、さらに発光寿命が大幅に減少することが確認された。これにより、カーボンナノチューブとシリコンフォトニクスとの融合による高輝度・高繰り返し周波数の単一光子源が実現できる可能性が示された。

本研究では架橋カーボンナノチューブにおける励起子拡散を利用した単一光子生成を実証するため、単一の架橋カーボンナノチューブからの発光について光子相関測定を実施した。本測定を実施する上で数十時間もの積算時間が必要となることから、光学測定システム内に高精度なサンプルトラッキングの機構を導入し、時間経過によるサンプルのドリフトにサブミクロンの精度で追従できる仕組みを確立した。その結果、室温中でのカーボンナノチューブにおける単一光子生成を示すアンチバンチングが確認されており、本研究の主目的である室温・通信波長帯における単一光子生成が達成された。アンチバンチングの大きさについては励起パルスレーザーの強度と強い相関があることが確認され、この振る舞いは一次元の励起子拡散モデルによって説明できることが明らかとなった。また、異なるカイラリティや架橋長さを持つカーボンナノチューブに対して同様の測定を行うことにより、アンチバンチングが励起子拡散長やエンドクエンチングの影響の大きさに依存して変化することが確認された。この結果は、さらに品質の高い単一光子生成を実現するためには拡散長が長く、かつエンドクエンチングが起こりにくい状況を作り出す必要があることを示している。また、本年度は米国ロスアラモス国立研究所において共同研究を実施し、ドーピングを施したカーボンナノチューブを用いた単一光子生成の手法について、シリコン微小共振器との結合による性能向上の可能性を探った。その結果、カーボンナノチューブにおけるドープ準位からの発光が共振器と結合し、発光強度が大きく増強され、さらに発光寿命が大幅に減少することが確認された。これにより、カーボンナノチューブとシリコンフォトニクスとの融合による高輝度・高繰り返し周波数の単一光子源が実現できる可能性が示された。